Раздел 5 Магнитные материалы
Тема 5.1 Основные характеристики магнитных материалов
Материалы, которые под действием внешнего магнитного поля намагничиваются, т. е. приобретают особые магнитные свойства, называют магнитными.
Основными магнитными материалами являются железо, никель, кобальт и различные сплавы на основе технически чистого железа. Свойства магнитных материалов оцениваются магнитными характеристиками:
1) Магнитная проницаемость (относительная магнитная проницаемость) μr является безразмерной величиной и входит в выражение абсолютной магнитной проницаемости (Гн/м):
где μо — магнитная постоянная, равная 1,256637· 10-6 Гн/м.
Магнитная проницаемость определяет способность материала к намагничиванию: чем она больше, тем легче намагничивается материал и, наоборот, чем она меньше, тем в меньшей степени материал может быть намагничен .
Всякий магнитный материал обладает магнитными свойствами только до определенной температуры — температуры Кюри θК, по достижении которой магнитные свойства у материала исчезают, т. е. он не может быть намагничен. Это обусловлено дезориентацией внутренних областей (доменов) намагничивания из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул материала.
2) Индукцией насыщения Bs определяются свойства магнитного материала, поведение которого в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания (рис. 42).
Рисунок 42 Начальная кривая намагничивания (1) и петля гистерезиса (2)
Эта кривая показывает изменение магнитной индукции В магнитного материала в зависимости от напряженности Н: вначале магнитная индукция растет, затем ее рост замедляется, а по достижении индукции В она остается постоянной. При этом говорят, что магнитный материал достиг насыщения, а индукцию В называют индукцией насыщения. Чем больше Bs, тем выше свойства магнитного материала. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл).
3) Остаточная магнитная индукция Вr и коэрцитивная сила Нс также характеризуют свойства магнитных материалов. Если образец магнитного материала намагничивать, непрерывно повышая напряженность магнитного поля Н, то магнитная индукция В тоже будет непрерывно возрастать по кривой намагничивания. Эта кривая начинается в точке О и заканчивается в точке, соответствующей индукции насыщения Bs.
При уменьшении напряженности Н магнитная индукция также будет уменьшаться, но начиная с Вм ее значения не будут совпадать со значениями этой характеристики на начальной кривой намагничивания, и, когда напряженность магнитного поля станет равной нулю, в образце магнитного материала будет обнаруживаться остаточная магнитная индукция Вr.
Для размагничивания образца надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на обратное (— Н). Напряженность поля Hs, при которой индукция станет равной нулю, называют коэрцитивной силой.
Если после этого образец магнитного материала начать намагничивать в противоположном направлении, то снова будет наблюдаться индукция насыщения (—Bs). При дальнейшем уменьшении напряженности магнитного поля до Н = 0 и новом намагничивании в первоначальном направлении индукция будет непрерывно увеличиваться до индукции насыщения Bs. В результате образуется замкнутая петля, которую называют предельной или статической петлей гистерезиса. Предельную петлю гистерезиса снимают при медленном изменении постоянного магнитного поля от + Н до —Н, когда магнитная индукция становится равной индукции насыщения Bs.
4) Коэффициент прямоугольности αп, характеризующий степень прямоугольности предельной петли гистерезиса, рассчитывают по формуле:
Чем больше αп, тем более прямоугольна петля гистерезиса.
При воздействии на материал переменного магнитного поля получают динамическую кривую намагничивания и динамическую петлю гистерезиса. Отношение значения индукции к значению магнитного поля на динамической кривой представляет собой 5) динамическую магнитную проницаемость:
При низких частотах и малой толщине магнитного материала динамическая кривая намагничивания совпадает со статической. При этом значения динамической магнитной проницаемости практически совпадают со значениями проницаемости, вычисленными по статической кривой намагничивания. Динамическая петля гистерезиса имеет несколько большую площадь, чем статическая, так как при воздействии переменного магнитного поля в материале кроме потерь на гистерезис возникают потери на вихревые токи и магнитное последействие.
Потери энергии на вихревые токи Рв зависят от удельного электрического сопротивления ρ магнитного материала: чем оно больше, тем меньше потери на вихревые токи.
6) Удельная объемная энергия W — это энергия, создаваемая постоянным магнитом в воздушном зазоре (между его полюсами), отнесенная к единице его объема (Дж/м3).
Магнитной характеристикой материала является максимальная объемная энергия (Дж/м3):
где Bd и Hd — индукция и соответствующая максимальной удельной объемной энергии напряженность магнитного поля.
Согласно поведению в магнитном поле магнитные материалы делят на магнитомягкие и магнитотвердые.
Магнитомягкие материалы обладают большой начальной и максимальной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Эти материалы легко намагничиваются и размагничиваются и отличаются малыми потерями на гистерезис, т. е. им соответствует узкая петля гистерезиса.
Чем меньше различных примесей в магнитомягком материале, тем выше его характеристики, т. е. тем больше μн и μм и тем меньше Нс и потери на гистерезис. Поэтому при производстве магнитомягких материалов стремятся удалить из них наиболее вредные примеси — углерод С, фосфор Р, серу S, кислород О2, азот N2 и различные оксиды. Одновременно стараются не искажать кристаллическую структуру материала и не вызывать в нем
внутренних напряжений. Магнитомягкие материалы используют для изготовления сердечников электрических машин, трансформаторов, реле и других электрических аппаратов.
Магнитотвердые материалы обладают большими коэрцитивной силой и остаточной индукцией и соответственно имеют широкую петлю гистерезиса. Эти материалы намагничиваются с большим трудом, а будучи намагничены могут несколько лет сохранять магнитную энергию, т. е. служить источниками постоянного магнитного поля. Магнитотвердые материалы применяют главным образом для изготовления постоянных магнитов.
По составу все магнитные материалы делятся на металлические и неметаллические. К металлическим относят чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов, а к неметаллическим — ферриты.